超前钻探在隧道施工中的应用

张 雷

中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600

超前钻探在隧道施工中的应用

张 雷

中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600

本文以某隧道工程地质勘探为例，首先简要的阐述了超前钻探预报的必要性以及超前水平钻探方法。对实际隧道工程的超前水平钻探勘探进行了分析，总结了通过水平钻探得出隧道的地质情况，给出了施工建议。最后，对钻探质量控制提出了相应的措施，确保施工安全以及施工质量。

超前水平钻探；隧道工程；地质勘探

0 引言

在隧道穿越有可能涌水地段时，利用潜孔钻机在工作面上两侧拱腰各设一孔，进行超前钻探，以查清前方地质及涌水情况。每次的钻探深度控制在30m为宜。采用超前钻孔、TSP203、地质雷达和红外线探测仪进行联合地质预报，并认真作好地质素描，不断积累和丰富新的地质资料，提高预报的准确性，为安全穿越含水地段提供第一手资料。

1 超前钻探技术

1.1 超前水平钻探

对规模较大的区域性断层、物探超前预报的异常段（可能的岩溶发育段及突涌水段），通过超前水平钻探进一步确定断层的位置、破碎带的宽度、富水情况，并进一步确定岩溶的发育情况，包括溶洞的位置、大小、充填情况等。

对关键区段采用超前钻探的方式进行调查，取得最直接的依据。施工现场最易实施的是采用沿掌子面布置3个～7个超前的深孔，预测前方地下水情况，特别是向斜地段、可能有突水地段，采用这种方法是比较行之有效的。地质钻孔布置见图1所示。

图1 超前水平钻孔布置图

1.2 超前地质钻探

针对有突水的可能的破裂断层带，采用钻孔超前探测，钻孔长度20m～30m，验证综合超前物探成果，超前钻孔3个，并至少有一个孔应取芯；探孔孔径一般不小于φ75mm，并考虑5m长搭接，探孔终孔应超出开挖轮廓线1.5m。

超前钻探时，停止施工，喷混凝土封闭开挖面，测设钻孔位置与方位，然后搭设作业台架，钻机就位固定，安装钻杆试钻。在确定钻孔位置、方位准确后，开始钻进，钻进过程中注意钻孔出水量、钻碴及钻杆进尺，详细记录钻孔过程中各种资料和数据。根据超前钻孔资料分析前方围岩节理发育情况和可能涌水量及地下水发连通情况，根据不同情况采取不同施工技术措施。如临近漏水地段3m～5m前，在开挖钻孔时，安排2～4孔超前水平钻，钻5m～8m，准确了解前方水文地质情况，提高支护、排水等措施针对性。

2 工程实例

某分离式隧道，左幅全长1 568m，右幅全长165m。设计路面标高1 165. 61147m，隧道左线最大埋深约227m右线最大埋深约232m。为确保隧道施工安全和施工质量，并为隧道开挖、支护提供依据，对该隧道在D1K711+030-D1K710+960段进行了超前地质钻探D1K711+030-D1K710+960段位于冲沟段，为查明地质、确保安全，采用φ75超前探孔进行验证。本段超前地质钻探采用回转取芯钻。超前地质钻孔平面布置，如图2所示。钻探孔位置:隧道里程D1K711+030，钻孔深度：20. 10 m。

图2 超前地质钻孔布置图

各孔段主要水文工程地质特征：0.0m～2.90m岩芯完整呈长柱状，采芯率100%；2.90m～6.30m岩层间较破碎呈碎块状、短柱状，2.90m～3.10m，5.60m～5.80m见裂隙，有溶蚀现象，溶孔发育，采芯率80%；6.30m～15.60m，岩芯完整呈长柱状、线柱状，采芯率95%；15.60m～16.20m，见溶蚀裂隙，裂面上见黄色泥质侵染，具构造岩溶溶蚀裂隙的特征，采芯率70%，岩芯呈块状。16.20m～19.50m岩芯完整呈长柱状，其中，17.80m～18.20m有溶蚀现象，采芯率90%。19.5m～20.10m，岩芯较破碎，采芯率100%；该隧道从D1K711+030掌子面钻探揭露的20.10m长度内，地层岩性为灰色中厚层状隐晶质结构灰岩，岩质较坚硬，无大的断裂构造通过，未见地下暗河或突水、涌水现象。但在隧道里 程 D1K711+027.5～D1K711+024段，D1K711+011～D1K711+07.9段，岩芯比较破碎，应注意冒顶，做好支护工作，D1K711+023～D1K711+022段，D1K711+014～D1K711+011段，见溶蚀现象，应对溶蚀突水、涌水做好预防工作。

根据现场钻孔资料分析，预测前方地层岩溶、裂隙较为发育，建议采取超前小导管注浆进行超前支护，同时在此段隧道施工过程中，应密切注意泥化夹层、溶洞和节理的失稳破坏，同时在可能发育溶槽或溶洞区域，可能发生突泥和突水，故开挖后应及早支护并采取相应的措施，防止麻痹大意思想，并加强监控量测。

3 超前地质钻探施工

3.1 超前地质钻探技术要求

1 ）孔数：超前水平钻孔每个断面为3个孔，掌子面中间一个孔，两侧边墙各一个孔；2）孔深：连续钻探每循环孔深为30m，并且前后两循环钻孔重叠5m，即25m一循环；3）孔径：钻孔直径为φ75，其满足钻探取芯、取样和孔内测试的要求。

3.2 超前钻探工作要求

1 ）超前钻探过程中应在现场做好钻探记录，包括钻孔位置、开孔时间、终孔时间、孔深、钻进压力、钻进速度随钻孔深度变化情况、冲洗液颜色和流量变化等；2）超前钻探过程中应及时鉴定岩芯、岩粉，判定岩石名称，并选择代表性岩芯整理保存；3）加强钻进设备的维修与保养，使钻机处于良好状态；强化协调和管理，各方面应积极配合，减少和缩短施钻时间。

3.3 钻孔质量与钻孔效率保证措施

为提高工作效率，减少地质超前钻探占用开挖工作面的时间，可采用冲击钻与回钻取芯钻相结合的方式。根据地质调绘与物探法结合判断出的围岩危险区域决定是采用冲击钻还是采用回转取芯钻。冲击钻速度快，但是无法取出岩芯，只能通过一些可接指标判断隧道工作面前方的围岩变化情况，加大了对围岩分析的难度；回转取芯钻速度慢，占用施工时间太多，但是能准确直接地对前方围岩进行分析研究。如何选择钻探方法还需根据实际情况专门研究决定。长距离地质超前钻探应按照标准操作要求进行，对钻探质量控制宜采取下列措施：

3.4 采用系统的钻探程序

1 ）测量布孔：施钻前按孔位设计图设计的位置用全站仪或经纬仪准确测量放线，将开孔孔位用红油漆标注在开挖工作面上；2）设备就位：孔位布好后，设备就位，接通各动力电源和供风、供水管路。安装电路要由专业电工操作，确保安全，供风管路要连接紧密，无漏气现象；3）对正孔位，固定钻机：将钻具前端对准开挖工作面上的孔位，调整钻机方位，将钻机固定牢固；4）开孔、安装孔口管：孔口管必须安设牢固；5）成孔验收：施钻满足设计要求，经现场技术人员确认签收后方可停钻终孔。

3.5 控制钻进方向

1 ）钻机定位完毕后，对钻机进行机座加固，使钻机在钻进过程中位置不偏移，做到钻孔完毕钻机位置不变。在钻进过程中应定期检查机器的松动情况，及时调整固定；2）对钻具的导向装置尽可能加长，并且选用刚度较强的钻杆，从而提高钻具的刚度，减少钻具的下沉量，达到技术的要求。不得使用弯曲钻具；3）当岩层由软变硬时应采用慢速、轻压钻进一定深度后，改用硬岩层的钻进参数。钻进中应减少换径次数；4）本循环钻孔完毕后，根据测量结果总结出钻具的下沉量，下一循环钻探时通过调整孔深、仰俯角等措施控制下沉量在设计要求的范围内，达到技术要求的精度；5）对于100m以上的超长钻孔，应综合工作面岩性、隧道坡度、前进方向、钻杆自重等因素进行钻孔定向综合设计，计算出合理钻进角度。

3.6 信息整理

根据勘测资料以及超前地质预报工作和实施的洞内外检测所获得的资料，进行综合分析，对隧道内可能发生的大规模涌水、突泥等不良地质情况的断层破碎带应增加探测力度。采用超前钻孔、地质雷达和红外线探测仪进行联合地质预报，并认真作好地质素描，提高预报的准确性，为安全穿越断层带提供第一手资料。

4 结论

随着隧道工程施工的逐步深入，需要在施工过程中采取有效方法，对前方不良地质灾害进行准确的超前预报，以便及时地修正开挖和支护设计方案，避免施工事故发生。超前钻孔作为直接地揭示掌子面前方的地质特征的手段有较高准确率，是地质超前预报一种必不可少的手段，通过结合工程实例，提出超前地质钻探工作要求以及相应的技术措施，为同类工程提供参考借鉴。

[1]张庆欣.齐岳山隧道超前钻探施工技术[J].铁道标准设计，2008(5).

[2]段双喜.超前钻探在超前地质预测预报施工中的应用[J].科技情报开发与经济，2008(10).

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1674-6708（2012）59-0058-02